Institut für Experimentelle Kernphysik

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1 Institut für Experimentelle Kernphysik Elementarteilchen- & Astroteilchenphysik Gegründet 1960 Sitz am KIT CN, CS Mitglied von KCETA Mitarbeiter/inn/en Belle II 7 Professoren 10 Leitende Wissenschaftler 29 Wissenschaftler 58 Doktoranden 57 Diplomanden 4 Administration 6 Techniker 12 Werkstattangehörige

2 Kontakt Campus Süd: AMS, Belle, Belle II, CDF, CMS Physikhochhaus 9.OG Elementarteilchenphysik Telefon: 0721 / Campus Nord: AUGER, CMS, Edelweiss, KASCADE-Grande/Lopes, KATRIN Gebäude 401/402 Astroteilchenphysik Telefon: 0721 / Elementarteilchenphysik Telefon: 0721 / Homepage: www-ekp.physik.uni-karlsruhe.de

3 EKP Professorengalerie J. Blümer AUGER, KATRIN, Edelweiss Th. Müller CMS, CDF, Belle II G. Drexlin KATRIN W. de Boer CMS, AMS-2 U. Husemann CMS G. Quast CMS, GRID M. Feindt CDF, Belle, Belle II

4 MOTIV UNSERER FORSCHUNG Radius 10-3 m m m Ergründe Vorgänge im frühen Universum Studiere heutiges Universum

5 10 22 Elementarteilchenphysik Müller, de Boer, Feindt, Husemann, Quast Forschung am IEKP Astroteilchenphysik Zentrale Fragestellung: Was geschah beim Urknall? Woraus besteht das heutige Universum? Blümer, Drexlin, N.N. -EeV: höchste Energien (AUGER) -PeV: Massenkomposition CR (KASCADE-Grande, Lopes) -TeV: Nachweis des Higgs-Bosons (CMS, CDF) Suche nach Supersymmetrie und neuen Teilchen Eigenschaften des Top-Quarks -GeV:Suche nach Dunkler Materie (AMS-02, Edelweiss) Präzisionsphysik (Belle, Belle II) -mev: Messung der Neutrinomasse (KATRIN)

6 I Elementarteilchenphysik Die fundamentalen Bausteine Proton

7 Unser Periodensystem

8 Offene Fragen Ursprung der Masse Hierarchie-Problem Supersymmetrie Higgsmechanismus (Skalarfeld) Neutrinomassen ( see-saw Mechanismus?) Schwache/Planck Skala (250 GeV / GeV) Stabilisierung eines leichten Higgs ( SUSY) gibt es SUSY, wie entsteht SUSY-Brechung? SUSY und dunkle Materie ( LSP als WIMP?) Materie-Asymmetrie via Leptogenese? ( CP- Zerfälle von ν H ) Peter Higgs

9 Beschleunigerlabore Teilnahme des KIT

10 1. CDF am Tevatron Collider, Fermilab Top-Quark Physik Suche nach einem SM Higgs Physik mit Beauty-Hadronen Karlsruhe: Seit 1995 TEVATRON-II-Programm: Proton-Antiproton Kollisionen bei 2 TeV Integrierte Luminosität 2012: 11 fb -1 KIT-Mitarbeiter 8 Plan: Datenanalyse bis 2015 Einzel-Top Quark Ereignis

11 Beispiele wichtiger Karlsruher Analysen Top-Physik Gemeinsam mit Gruppe Kühn Elektro-schwache Top-Quark-Erzeugung Ladungsasymmetrie Flavour-Physik B s - Spektroskopie Signal des X(3872) Charm-Baryonen

12 CDF Physik-Höhepunkte mit KIT-Beteiligung Mit-Entdeckung: Top Quark 1995 (1900 Cit.) B s Oszillationen 2006 Electroschwache Top Produktion 2009 Evidenz: CP Verletzung in Beauty Zerfällen 1999 Beste Grenzwerte: Higgs Boson Produktion 2008 Beste Präzision: W Polarisation in Top-Zerfällen 2008 Messung: t-tbar Ladungsasymmetrie 2009

13 Belle und Super-Belle 2. Belle, Belle II am SuperKEKb Neu-Rekonstruktion der Belle-Daten Suche nach exotischen Hadronen Präzisionsmessungen von B-Zerfällen Entwicklungen zum Pixeltracker Computing und Softwareentwicklung Tracking Elektron-Positron Kollisionen bei der Y-4s Resonanz KIT - Beitritt: April 2008 Int. Luminosity 2009: 1000 fb -1 KIT-Mitarbeiter: 15 Plan: Belle Datenanalyse bis 2015 Konstruktion des SuperKEKB bis 2015 Datennahme bis 2020: 50 ab -1

14 Die Reichweite von Präzisionsmessungen Komplementarität zum LHC

15 Beispiele von Karlsruher Analysen B-Meson-Oszillation und CP-Verletzung Messung von direkter und indirekter CP-Verletzung im B 0 -System (B D (*) D (*), B φk * ) Planung der Suche nach neuer Physik durch Präzisionsmessungen von CP-Verletzung im B 0 System (ab 2014) Spektroskopie Suche nach dem Y(4140) Entdeckung neuer Teilchen? Seltene Zerfälle und CKM-Matrix Messung des Verzweigungsverhältnisses und der Kinematik von B D * τν Suche nach B Kνν Suche nach sehr seltenen Zerfällen

16 Optimierung der der Ereignisrekonstruktion Optimierung mit NeuroBayes: Ereignisrekonstruktion B-Tagging Kontinuum-Unterdrückung

17 KIT-Beiträge zu Belle II Übertragung der Belle- Software auf Belle II Tracking: Optimierung des Magnetfeldes Spurrekonstruktionsalgorithmen Optimierung des Pixeldetektors Beiträge zum Pixel Detektor: Mechanik C0 2 - Kühlung Systemtest Computing Resourcenplanung Code Management Wiki page

18 Kühlstudien Gute Modellierung der Thermik

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20 3. CMS am Large Hadron Collider QCD Vorwärtsphysik Top Quark Physik Suche nach dem Higgs-Boson Suche nach Physik jenseits vom SM LHC-Program: Proton-Antiproton Kollisionen bei 7, 8, 13 TeV Luminosität bis zu /cm 2 Beginn der Datennahme: 2009 KIT - Mitarbeiter: ~ : Upgrade Phase I (Pixeldetektor) 2021: Upgrade Phase II für SLHC (Tracking,..) 7 TeV Kollision

21 Bau des Siliziumstreifendetektors am KIT

22 Endmontage von CMS Absenken einer Endkappe Jan t Kran

23 Einbau des Spurdetektors 2007 Institut für Experimentelle Kernphysik, KIT 2013

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25 Anschluss und Inbetriebnahme Tracker Control System TCS Installation der Netzgeräte Beam Condition Monitor BCM Verkabelung

26 Datenverarbeitung mit dem GRID Grid Computing: Tier1-Betrieb für CMS Gemeinsam mit GridKa, SCC Meta-Monitoring Projekt: HappyFace ViBatch Service und Cluster Virtualisierung Dynamische Verteilung von HEP Analysen auf Cloud-Ressourcen

27 GridKa 2010: CPU Kerne 10 PB Onlinespeicher Insg. 62 Gbit/s WAN ca. 20 Tier2-Zentren

28 CMS Remote Control Center am KIT * GridKa Monitor * CMS Computing Schichten * Datenqualitätsüberwachung

29 Erstes Kollisionsereignis am

30 Karlsruher Entdeckungen MANUEL ZEISE: ERSTES Z+jet EREIGNIS MANUEL RENZ: ERSTES TOP-QUARK IN EUROPA

31 Wichtige Beispiele Karlsruher Analysen Higgs Suche im WWH-Kanal Jet Rekonstruktion Suche nach Unterstruktur Z-> ττ zur Suche nach einem Higgs SUSY-Suche im Multi-Lepton-Kanal

32 Wichtige Beispiele Karlsruher Analysen Top-Antitop-Quark Wirkungsquerschnitt «Referenzanalyse» Top quark Asymmetrie A C = ± 0.134(stat.) ± 0.026(syst.) Single Top

33 Vorbereitung des Upgrade Bestrahlungs-Setup am KIT Zyklotron. Vollautomatische Probestation Großer Reinraum für die Modulproduktion

34 Werkzeuge der Datenanalyse: Neuronale Netze Neuronale Netze moderne statistische Methoden: Entwicklung von NeuroBayes NeuroBayes Teacher Lernen von komplizierten Zusammenhängern aus bestehenden Datenbanken NeuroBayes Expert Prognosen für unbekannte Daten erfolgreiche Anwendungen: - exp. Teilchenphysik (multivariante Analysen (b-tagging bei CDF) - Risikostudien für Finanzinstitute, Versicherungen,

35 II Astroteilchenphysik Verbindung zwischen Mikro- und Makrokosmos χ 0 χ 0 Astro- physik Kosmo- logie Teilchen- physik Astroteilchenphysik

36 Astroteilchenphysik - Themengebiete Neutrinos und Dunkle Materie - absolute Massenskala von ν s (hierarchisch/quasidegeneriert) - Einfluss von heißer/kalter DM auf großräumige Strukturen im Universum - direkter/indirekter CDM Nachweis Kosmische Strahlung - Quellen der kosmischen Strahlung? (galaktisch/extragalaktisch) - Zusammensetzung? (p-cno-fe) - Beschleunigungsmechanismus?

37 Kosmische Strahlung Multi-Messenger: Protonen Gammas Neutrinos

38 1. KASCADE Grande KASCADE KArlsruhe Shower Core and Array DEtector KASCADE-Grande: Erweiterung von KASCADE zur Untersuchung höherer Energien >10 17 ev durch 38 EAS-TOP Stationen ~1000 Ereignisse > ev (0.5 km 2 Fläche) Ziel: wie ändert sich die Zusammensetzung in der Knieregion? KASCADE-Array KASCADE-Grande

39 bisher genaueste Messung der Zusammensetzung Problem: Wirkungsquerschnitt ist modellabhängig CORSIKA Simulationen: weltweiter Standard! CORSIKA-Simulation: ev Fe-Kern

40 2. LOPES Untersuchung der Radioemission von kosmischen Schauern im Frequenzbereich bis einige 10 2 MHz (digitale Radioempfänger) kohärente Synchrotron-Emission von Elektron- Positronpaaren, die im Erdmagnetfeld abgelent werden LOfar Prototype Station LOPES LOPES Dipolantennen Radiobild eines Schauers

41 3. Pierre Auger Observatorium Untersuchung der höchstenergetischen kosmischen Strahlung im Bereich des GZK-Cutoffs bei E = ev (gemessen E>100 EeV) Methode: 3000 m 2 großes Array aus 1600 Wassertanks (Abstand 1.5 km) laterale Verteilung des Schauers am 4 Fluoreszenzteleskope: longitudinale Schauerentwicklung während klarer mondloser Nächte

42 AUGER SD Array: 1600 Wasser-Tanks zum Teilchennachweis Hybrid-Technik: -4 6 Fluoreszenz-Teleskope - Oberflächenarray (1600 Wassertanks) Auger FD Array (Fluoreszenzteleskope): Optik, Mechanik, Elektronik, Simulation, Analyse

43 Dunkle Materie Astronomische Evidenzen teilchenphysikalische Kandidaten für WIMPs LHC direkte & indirekte Nachweismethoden für CDM χ 0 γ χ 0

44 4. AMS-02 Suche nach Antiprotonen aus WIMP-Annihilationsprozessen & Antimaterie mit supraleitendem Magnetspektrometer auf der ISS Apertur 5000 cm 2 sr - Messung der kosmischen Strahlung (CR, cosmic rays): Energieverteilung und chemische Zusammensetzung bis 1 TeV absoluter Fluss (z.b. wichtig für atmosphärische Neutrinos, Propagation und Einschluss der CR, interstellares Medium) - Suche nach WIMP-Annihilation (Antiprotonen, Positronen, Gammas) - Suche nach Antimaterie (Anti-Deuteronen, Anti-Helium, )

45 5. EDELWEISS Fréjus Gipfel (2900m) Expérience pour détecter les WIMPs en Site Souterrain Eingang Straßentunnel Modane französisch-deutsches DM-Experiment im LSM : Edelweiss-I mit M = 1 kg ( 3 Detektoren) 4m Kryostat µ-veto

46 EDELWEISS II derzeit Aufbau weiterer Detektoren : Aufbau von Edelweiss-II mit M ~ kg (40-70 Detektoren) Ausbau: - neuer Kryostat - Myonveto - 20 cm Pb (n,γ) - 50 cm PE (n) - Radon-freie Luft erwartete Edelweiss-II Sensitivität: σ SI ~ pb

47 6. KATRIN Neutrinos in der Astroteilchenphysik Kosmologie: Rolle als kosmische Architekten? Teilchenphysik: woher kommt die Masse? E 0 = 18.6 kev T ½ = 12.3 J

48 Fensterlose gasförmige Tritiumquelle WGTS Tritiumquelle WGTS 16 m langer komplexer Kryostat: -12 kryogene Kreisläufe - 6 kryogene Fluide Instrumentation: ~500 Sensoren für Temperatur (4 600 K), B-Feld, Druck, Gasdurchfluss, Flüssigkeitslevel

49 Elektrostatisches Spektrometer UHV p < mbar Vorselektion festes Retardierungspotenzial U 0 bis zu maximal kv ΔE ~ 100 ev - Herausfiltern von ß-Zerfallselektronen ohne m(ν)-info - Reduktion des Untergrunds aus ionisierenden Streuungen keine m(ν)- Info Präzisionsfilter - Scanning variables Retardierungspotenzial U 0 = kv ΔE ~ 0.93 ev (100% Transmission) Tandem design: : Vorfilter & Energieanalyse Elektronen/s 10 3 Elektronen/s

50 Transport des KATRIN-Spektrometers

51 Wichtige Konferenzen in Karlsruhe TERA-Allianz 2009 SUSY 2007 Physics in Collision 2010

52 Tagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft

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54 EKP Förderung der Forschung KCETA: KIT-Zentrum für Elementarteilchen- & Astroteilchen-Physik Helmholtzprogramm Struktur der Materie Baden-Württemberg: -Rechnercluster GECCHI -Landesgraduiertenkolleg - Strukturiertes Promotionskolleg Sonderforschungsbereich/ Transregio 27 Neutrinos and Beyond Graduiertenkolleg GRK 742 Graduiertenkolleg GRK 1694 Elementarteilchenphysik bei höchster Energie und höchster Präzision